KR20190035989A - 가스 센서 패키지 - Google Patents

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KR20190035989A
KR20190035989A KR1020170123728A KR20170123728A KR20190035989A KR 20190035989 A KR20190035989 A KR 20190035989A KR 1020170123728 A KR1020170123728 A KR 1020170123728A KR 20170123728 A KR20170123728 A KR 20170123728A KR 20190035989 A KR20190035989 A KR 20190035989A
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sensing
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유도준
정종진
임채현
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(주)센텍코리아
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Abstract

본 발명은 가스 센서 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 브릿지 타입 가스 센서 소자가 플립칩 본딩 방식으로 실장된 가스 센서 패키지에 관한 것이다. 본 발명은, 제1면과 제1면에 나란한 제2면을 구비하며, 제1면에 홈이 형성된 제1기판과, 가스 유입구가 형성되며 표면에 복수의 전극 패드가 형성된 센서 기판과, 상기 가스 유입구 위에 부유하는 박막과 상기 박막에 형성된 전극 패턴과 상기 전극 패턴 위에 형성된 감지막을 포함하는 가스 감지부와, 상기 전극 패드와 전극 패턴을 전기적으로 연결하며 상기 박막을 지탱하는 복수의 브릿지를 구비한 센서 소자를 포함하며, 상기 센서 소자는 상기 가스 감지부가 제1기판의 제1면에 형성된 홈에 수용되도록 상기 제1기판의 제1면에 설치되는 가스 센서 패키지를 제공한다. 본 발명에 따른 가스 센서 패키지는 가스 유입구가 형성된 브릿지 타입 센서 소자가 플립칩 본딩 방식으로 실장되어, 가스 유입이 용이하다는 장점이 있다.

Description

가스 센서 패키지{Gas sensor package}
본 발명은 가스 센서 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 브릿지 타입 가스 센서 소자가 플립칩 본딩 방식으로 실장된 가스 센서 패키지에 관한 것이다.
가스 센서 패키지는 인쇄회로기판 위에 실장된 가스 센서 소자를 포함한다. 가스 센서 소자가 실장된 인쇄회로기판은 에폭시 몰딩을 통해서 보호된다.
가스 센서 패키지가 동작하기 위해서는 측정 대상이 되는 가스가 가스 센서 소자에 전달될 수 있는 통로가 가스 센서 패키지에 구비되어야 한다.
국제공개특허 WO 2012/100360 A1호에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(1) 위에 가스 센서 소자(2)를 실장하고, 가스 센서 소자(2)의 둘레에 스페이서(3)를 배치한 센서칩이 개시되어 있다.
또한, 한국공개특허 제10-2015-0083566호에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속패턴을 포함하는 제1기판(5), 제1기판(5)의 표면과 마주하도록 배치되는 가스센싱부(7)를 포함하는 가스센싱소자(6)를 포함하며, 가스센싱소자(6)와 제1기판(5) 사이에 가스이동이격부(8)가 형성된 가스 센서 패키지가 개시되어 있다. 이 가스 센서 패키지에서는 측정대상인 가스가 가스이동이격부(8)를 통해서 가스센싱부(7)에 전달된다.
또한, 한국공개특허 제10-2015-0038916호에는 가스인입홀을 포함하는 제1기판과 제1기판상에 실장되며, 가스센싱부를 포함하는 가스센싱소자를 포함하며, 가스센싱부가 제1기판의 표면에 마주하도록 실장되는 가스 센서 패키지가 개시되어 있다. 이 가스 센서 패키지에서는 제1기판이 제2기판에 실장되며, 측정 대상 가스는 제1기판과 제2기판 사이의 가스이동이격부를 통과한 후 가스인입홀을 통해서 가스센싱소자에 전달된다.
또한, 한국공개특허 제10-2015-0111102호, 한국공개특허 제10-2016-0061842호에도 유사한 형태의 가스 센서 패키지가 개시되어 있다.
그런데 이러한 형태의 가스 센서 패키지는 가스가 가스센싱소자와 기판 또는 기판과 기판 사이의 미세한 틈을 통해서 유입되고, 배출되기 때문에 원활한 가스 이동이 어려워 가스감지 효율이 낮다는 문제가 있었다.
또한, 가스센싱소자와 기판(또는 기판과 기판) 사이에 틈을 형성하기 위해서 가스센싱소자와 기판 사이의 결합부를 에폭시 몰드 등으로 밀봉할 수 없으므로, 구조적으로 취약할 수 있다는 문제가 있었다. 또한, 측정 대상 가스에 의해서 기판 및 기판에 실장된 소자가 오염될 수 있다는 문제가 있었다.
국제공개특허 WO 2012/100360 A1 한국공개특허 제10-2015-0083566호 한국공개특허 제10-2015-0038916호 한국공개특허 제10-2015-0111102호 한국공개특허 제10-2016-0061842호
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 가스 유입구가 형성된 브릿지 타입 센서 소자가 플립칩 본딩 방식으로 실장되어, 가스 유입이 용이하며, 구조적으로 안정적인 가스 센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 측정 대상 가스에 의해서 기판 및 기판에 실장된 소자가 오염되는 것을 방지할 수 있는 가스 센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 제1면과 제1면에 나란한 제2면을 구비하며, 제1면에 홈이 형성된 제1기판과, 가스 유입구가 형성되며 표면에 복수의 전극 패드가 형성된 센서 기판과, 상기 가스 유입구 위에 부유하는 박막과 상기 박막에 형성된 감지 전극 패턴과 상기 감지 전극 패턴 위에 형성된 감지막을 포함하는 가스 감지부와, 상기 전극 패드와 감지 전극 패턴을 전기적으로 연결하며 상기 박막을 지탱하는 복수의 브릿지를 구비한 센서 소자를 포함하며, 상기 센서 소자는 상기 가스 감지부가 제1기판의 제1면에 형성된 홈에 수용되도록 상기 제1기판의 제1면에 설치되는 가스 센서 패키지를 제공한다.
이러한 특징적인 구성에 따르면, 센서 소자에 가스 유입구가 설치되어 있으므로, 가스 감지부로 측정 대상 가스가 유입되기 용이하다는 장점이 있다. 또한, 가스 유입구가 센서 소자에 형성되므로, 센서 소자와 제1기판 사이의 틈으로 측정 대상 가스가 유입될 필요가 없으므로, 틈을 밀봉할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 제1기판의 제2면에 결합되는 제2기판을 더 포함하는 가스 센서 패키지를 제공한다. 여기서 상기 제1기판은 집적회로의 기판이며, 제2기판은 인쇄회로기판일 수 있다. 제1기판으로 집적회로의 기판을 사용하면, 센서 소자에서의 신호를 가스 센서 패키지에서 바로 처리할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 제1기판은 인쇄회로기판인 가스 센서 패키지를 제공한다.
또한, 상기 홈은 관통 홈인 가스 센서 패키지를 제공한다.
또한, 상기 가스 유입구는 통기성 폴리머 필름에 의해서 덮이는 가스 센서 패키지를 제공한다. 이러한 특징적인 구성에 따르면, 가스 유입구로 측정 대상 가스에 포함되어 있는 수분이나 이물질이 센서 소자의 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 제1기판의 표면을 덮고, 상기 센서 소자와 상기 제1기판 사이의 틈을 막는 몰딩 부재를 더 포함하는 가스 센서 패키지를 제공한다.
센서 소자를 제1기판의 제1면에 설치하면, 센서 소자의 전극 패드와 제1기판의 제1면에 형성된 제1전극이 접합되면서, 센서 소자와 제1기판 사이에 틈이 생길수 있다. 몰딩 부재는 제1기판을 덮고, 센서 소자와 제1기판 사이에 틈을 막기 때문에 측정 대상 가스가 틈으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 측정 대상 가스에 포함되어 있는 이물질, 수분 등에 의해서 제1기판의 전극 패턴이 산화되거나 오염되는 것을 방지할 할 수 있다. 또한, 제1기판에 실장된 소자들의 오염도 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 센서 패키지는 가스 유입구가 형성된 브릿지 타입 센서 소자가 플립칩 본딩 방식으로 실장되어, 가스 유입이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 가스 유입구가 센서 소자에 형성되므로, 센서 소자와 기판 사이의 틈을 밀봉할 수 있어, 구조적으로 안정적이라는 장점이 있다. 또한, 측정 대상 가스에 의해서 기판 및 기판에 실장된 소자가 오염되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 1과 2는 종래의 가스 센서 패키지의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략도이다.
도 4와 5는 도 3에 도시된 센서 소자의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 패키지(100)는 제1기판(10), 가스 감지부(24)를 구비한 센서 소자(20), 제2기판(30) 및 몰딩 부재(40)를 포함한다.
제1기판(10)은 제1면(11)과 제1면(11)에 나란한 제2면(12)을 구비하며, 제1면(11)에 홈(25)이 형성된다. 홈(25)은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1면(11)과 제2면(12)을 관통하는 홈(25)이거나 제2면(12)을 관통하지 않는 오목한 홈일 수 있다. 홈(25)은 센서 소자(20)의 가스 감지부(24)를 수용하는 공간을 형성한다.
제1기판(10)은 다수의 전자회로 소자(미도시)가 반도체 기판에 집적되어 있는 집적회로의 반도체 기판일 수 있다. 집적회로는 센서 소자(20)의 신호를 처리할 수 있는 리드아웃 IC(Readout IC, ROIC)일 수 있다. 제1기판(10)의 제1면(11)에는 센서 소자(20)의 전극 패드(23)와 전기적으로 연결될 수 있는 제1전극 패턴(13)이 형성되어 있다. 또한, 제1기판(10)의 제2면(12)에도 제2전극 패턴(14)이 형성되어 있다. 또한, 도시하지 않았으나, 제1기판(10)에는 전도성 비아홀들도 형성될 수 있다. 제1전극 패턴(13)과 제2전극 패턴(14)은 Cu 층에 Ag, Au, Sn 등의 도금 층이 형성된 구조일 수 있다.
도 4와 5는 도 3에 도시된 센서 소자의 사시도이다. 도 4와 5에 도시된 바와 같이, 센서 소자(20)는 센서 기판(21), 가스 감지부(24) 및 브릿지(29)를 포함한다. 센서 소자(20)는 측정 대상인 가스에 포함되어 있는 특정한 가스 성분의 농도에 따른 전기신호를 발생하는 역할을 한다. 센서 소자(20)의 전기신호는 제1기판(10)의 제1전극 패턴(13)을 통해서 집적회로에 전달되어, 가스 성분의 농도를 나타내는 값을 나타내는 전기신호로 변환될 수 있다. 이러한 전기신호는 가스 센서 패키지(100) 외부의 디스플레이, 예를 들어, 가스 센서 패키지(100)가 설치된 스마트폰, 스마트패드 등의 디스플레이를 통해서 표시될 수 있다. 센서 소자(20)는 반도체식 가스 센서일 수 있다. 센서 소자(20)는 MEMS 공정을 통해서 제조할 수 있다.
센서 기판(21)은 절연막이 코팅된 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있다. 센서 기판(21)은 대체로 정사각형의 단면을 구비한 판 형태이다. 센서 기판(21)의 중심부에는 센서 기판(21)을 관통하는 원형 단면의 관통구멍인 가스 유입구(22)가 형성된다. 또한, 센서 기판(21)의 표면에는 복수의 전극 패드(23)가 형성된다. 전극 패드(23)는 Cu 층에 Ag, Au, Sn 등의 도금 층이 형성된 구조일 수 있다.
가스 감지부(24)는 가스 유입구(22) 위에 부유하는 박막(26)과, 박막(26)에 형성된 감지 전극 패턴(28)과, 감지 전극 패턴(28) 위에 형성된 감지막(25)을 포함한다. 박막(26)은 센서 기판(21)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 도시하지 않았으나, 히터 패턴이 감지 전극 패턴(28)이 형성될 수 있다. 히터 패턴은 감지 전극 패턴(28)과 같은 면에 형성되거나, 반대 면에 형성될 수 있다. 반대 면에 형성할 경우 히터 패턴은 사행으로 형성하거나 나선형으로 형성할 수 있다. 감지 전극 패턴(28)은 빗(comb) 또는 손가락 형태의 두 개의 전극이 서로 맞물린 것과 같은 형태인 인터디지털(interdigital) 구조일 수 있다. 감지 전극 패턴(28)은 백금(Pt), 산화루테늄(RuO2) 등으로 이루어질 수 있다.
감지막(25)은 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 감지막(25)은 액체 전구체를 감지 전극 패턴(28) 위에 도포한 후 건조하고, 열처리하는 방법으로 얻을 수 있다.
브릿지(29)는 전극 패드(23)와 감지 전극 패턴(28)을 전기적으로 연결하며 상기 박막(26)을 지탱하는 역할을 한다. 브릿지(29)는 센서 기판(21)을 건식 식각하여 형상을 만든 후 도전막을 입히는 방법으로 구성할 수 있다.
센서 소자(20)는 센서 소자(20)의 전극 패드(23)와 제1기판(10)의 제1전극 패턴(13)이 직접 결합되는 플립칩 본딩 방식으로 제1기판(10)에 결합될 수 있다. 이때, 가스 감지부(24)가 제1기판(10)의 홈(25) 안에 수용된다. 이러한 방식은 와이어 본딩이 필요 없으며, 가스 감지부(24)를 보호하기 위한 별도의 스페이서 또는 캡이 필요 없으므로, 패키지가 소형화되고, 제조원가가 절감된다는 장점이 있다.
가스 감지부(24)에서 발생한 전기 신호는 브릿지(29), 전극 패드(23), 제1전극 패턴(13)을 통해서 제1기판(10)의 집적회로에 전달될 수 있다.
또한, 센서 소자(20)는 통기성 폴리머 필름(45)을 더 포함할 수 있다. 통기성 폴리머 필름(45)은 가스 유입구(22)를 덮을 수 있도록 센서 기판(21)에 설치된다. 통기성 폴리머 필름(45)은 가스 유입되는 것은 허용하지만, 이물질이나 수분 등이 센서 소자(20)의 내부로 유입되는 것은 방지하는 역할을 한다. 통기성 폴리머 필름(45)으로는 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene), ETFE(Ethylene tetra fluoro ethylene) 수지 필름 등을 사용할 수 있다.
제2기판(30)은 제1기판(10)의 제2면(12)에 결합된다. 제2기판(30)은 인쇄회로기판일 수 있다. 제2기판(30)에는 제1기판(10)의 제2전극 패턴(14)과 결합하여 집적회로의 구동을 위한 신호를 입력하고 집적회로로부터의 신호를 입력받는 시그널 전극(31)이 형성될 수 있다. 시그널 전극(31)은 제2기판(30)의 관통 홀(32)을 금속물질로 충진하여 형성할 수 있다.
몰딩 부재(40)는 센서 소자(20)가 설치된 제1기판(10)을 덮어서 제1기판(10)의 집적회로들과 센서 소자(20)를 보호하는 역할을 한다. 몰딩 부재(40)는 에폭시, 우레탄 수지 등으로 이루어질 수 있다. 몰딩 부재(40)는 제1기판(10)의 표면을 덮고, 센서 소자(20)의 전극 패드(23)와 제1기판(10)의 제1전극 패턴(13)의 접합부에 생기는 틈을 막아서, 집적회로에 산소나 수분이 도달하는 것을 방지한다. 몰딩 부재(40)는 서로 결합된 제1기판(10), 제2기판(30), 센서 소자(20)를 금형에 배치하고, 점성이 있는 액상의 수지를 투입한 후에 경화시키는 방법으로 형성할 수 있다.
몰딩 부재(40)는 한 번에 형성할 수도 있으나, 먼저 센서 소자(20)의 전극 패드(23)와 제1기판(10)의 제1전극 패턴(13)의 접합부에 생기는 틈을 막은 후에 제1기판(10)의 표면을 덮을 수도 있다.
본 실시예에서 측정 대상 가스는 가스 유입구(22)를 통과한 후에 브릿지(29) 사이의 공간을 통해서 감지막(25) 쪽으로 흐른다. 측정 대상 가스와의 반응에 의해서 감지막(25)의 전기적 특성이 변경되면, 감지 전극 패턴을 통해서 측정되는 전류나 전압이 변경된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략도이다.
본 실시예는 도 3에 도시된 실시예와 달리 센서 소자(20)가 설치되는 제1기판(110)으로 집적회로의 반도체 기판이 아닌 인쇄회로기판을 사용한다. 본 실시예에서는 센서 소자(20)의 전극 패드(23)들이 인쇄회로기판의 전극 패턴(113)들과 결합한다. 본 실시예에서는 센서 소자(20)에서의 신호를 가스 센서 패키지(200)가 실치되는 외부 장치에서 처리된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략도이다.
본 실시예는 도 3에 도시된 실시예와 달리 제1기판(210)과 제2기판(230)이 와이어 본딩을 통해서 전기적으로 연결된다. 즉, 제1기판(210)의 제2전극 패턴(214)이 제2기판(230)의 제1전극 패턴(231)과 전도성 와이어(215)를 통해서 연결된다. 그리고 전극 패턴들(214, 231)과 전도성 와이어(215)는 몰딩 부재(40)에 의해서 보호된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
예를 들어, 도 6에서는 제1기판(110)에 관통 홈(115)이 형성된 것으로 설명하였으나, 오목한 홈이 형성될 수도 있다.
100, 200: 가스 센서 패키지
10, 110: 제1기판
13, 113: 제1전극 패턴
14, 114: 제2전극 패턴
15, 115: 홈
20: 센서 소자
21: 센서 기판
22: 가스 유입구
23: 전극 패드
24: 가스 감지부
25: 감지막
26: 박막
28: 감지 전극 패턴
29: 브릿지
30: 제2기판
31: 시그널 전극
40: 몰딩 부재
45: 통기성 폴리머 필름

Claims (7)

  1. 제1면과 제1면에 나란한 제2면을 구비하며, 제1면에 홈이 형성된 제1기판과,
    가스 유입구가 형성되며 표면에 복수의 전극 패드가 형성된 센서 기판과, 상기 가스 유입구 위에 부유하는 박막과 상기 박막에 형성된 감지 전극 패턴과 상기 감지 전극 패턴 위에 형성된 감지막을 포함하는 가스 감지부와, 상기 전극 패드와 감지 전극 패턴을 전기적으로 연결하며 상기 박막을 지탱하는 복수의 브릿지를 구비한 센서 소자를 포함하며,
    상기 센서 소자는 상기 가스 감지부가 제1기판의 제1면에 형성된 홈에 수용되도록 상기 제1기판의 제1면에 설치되는 가스 센서 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판의 제2면에 결합되는 제2기판을 더 포함하는 가스 센서 패키지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1기판은 집적회로의 기판이며, 제2기판은 인쇄회로기판인 가스 센서 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판은 인쇄회로기판인 가스 센서 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 관통 홈인 가스 센서 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입구는 통기성 폴리머 필름에 의해서 덮이는 가스 센서 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판의 표면을 덮고, 상기 센서 소자와 상기 제1기판 사이의 틈을 막는 몰딩 부재를 더 포함하는 가스 센서 패키지.
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